行波超聲電動機驅動電源的設計研究

1、行波超聲電動機驅動電源的設計研究        摘要：基于行波超聲電動機驅動系統(tǒng)的工作原理，利用現(xiàn)代 圖1  行 波USM驅 動 系 統(tǒng) 原 理 框 圖 2  驅動電源組成及原理     由驅動系統(tǒng)原理可知，驅動系統(tǒng)要求驅動電源的設計應使壓電振子環(huán)產(chǎn)生單向行波，且為同頻率同幅度互差90°的方波信號，故需要驅動電源有兩路輸出，電源的頻率應與USM的固有頻率相一致。USM的固有頻率及起振電壓的大小則由其幾何尺寸決定。根據(jù)電源設計要求：輸入電壓可為220V、頻率

2、為50Hz的市電，或者為15V的直流電壓；輸出電壓為240V的方波信號、頻率可調節(jié)；工作頻率為50kHz；功率為100W；適應電動機工作環(huán)境和攜帶方便。本文設計的USM的驅動電源，如圖2所示。主要由控制電路、功率驅動電路、逆變主電路、反饋電路和保護電路等部分組成。 圖2  驅 動 電 源 組 成 框 圖 21  PWM控制電路     在控制電路規(guī)定的周期（頻率）范圍內(nèi)，將直流電壓調制為等幅不同脈寬的系列交流輸出脈沖信號。本文PWM控制電路以兩片集成脈寬調制芯片SG3525為核心，輔以部分外圍電路構成，如圖3所示。所需要的兩路信號可控制電動機的

3、正反轉，并保持可控的相位關系。當同步輸入端沒有外部脈沖時，通過CT、RT端的外接電阻、電容可與外部電路構成振蕩電路，電源的輸出頻率為      f=     （1） 式中：C1、R4、R5為振蕩器外接電容與電阻。 圖3  控 制 電 路 原 理     電路中CT端的放電時間以及死區(qū)時間由R5和C1決定。當同步輸入端外接輸入脈沖時，整個振蕩電路完全受此脈沖控制。因此，振蕩輸出頻率與該脈沖則保持一致。本電源將單片機系統(tǒng)產(chǎn)生的方波信號作為外接輸入脈沖加在同步輸入端，這樣電源輸出頻

4、率可由方波信號控制，以實現(xiàn)頻率自動跟蹤。 22  逆變主電路     逆變電路采用推挽式拓撲結構，使用MOSFET作為開關器件，采用復合式緩沖電路限制電壓和電流變化率，如圖4所示。 圖4  逆 變 主 電 路     在PWM控制電路的控制下開關器件（S1和S2）交替工作，在輸出端得到交變電壓。扼流線圈L1可防止用占空比D控制時S1、S2的同時關斷，有效地提高了電源的穩(wěn)定性。     關于主電路的效率分析：     忽略MOSFET的開關損耗，并設定D開關

5、電源的輸入功率PI為        PI=UIII      （2） 式中：UI、II開關電源的輸入電壓和電流。     輸出功率PO為     PO=UOIO      （3） 式中：UO、IO開關電源的輸出電壓和電流。     又變壓器的變比n為       n   (4)

6、式中：UCES為MOSFT的飽和壓降。     則推挽電路的效率為        =        （5）     如果忽略開關的通態(tài)損耗，則總開關損耗p為          p=prpf=(UC2UCES)IC     (6) 式中：UC為MOSFET的漏極電壓；   

7、;    tr、tf為脈沖的上升和下降時間。     本文選擇tr、tf較小、開關性能較好的MOSFET管，并根據(jù)USM的具體要求取D=40，主電路的效率為75。 23  過電流保護電路     過電流保護電路主要任務是檢測輸出電流的變化，并將其反饋到SG3525的控制端，在電流較大時可靠關斷系統(tǒng)，以避免器件和電動機的損壞。電路原理如圖5所示。 圖5  過 流 保 護 電 路 原 理     電路中電阻R1、R2對輸出進行采樣，當電路中電流增大時，采樣電壓

8、U1隨之增大，該信號反饋到3525的輸入端，及時調整輸出電壓UF。輸入電壓U1為正時，輸出電壓UF為                （6） 輸入電壓U1為負時，輸出電壓UF為                   (7)     適當選擇各電阻值，過電流時可以可靠地關斷控制電路。

9、3  實驗及結語     利用本驅動電源對一臺行波USM樣機進行了實驗。電源頻率可由信號控制,其輸出電壓為240V，峰值電壓為248.5V，紋波抑制比為16.51dB。SG3525控制端和電源輸出的電壓波形，如圖6所示。實驗結果表明，電源工作可靠，跟蹤頻率正確，具有較強的抗干擾能力。 (a)  SG3525控 制 端 輸 出 波 形 (b)  電 源 輸 出 電 壓 波 形 圖6  電 源 輸 出 波 形     1）由于本系統(tǒng)采用單片機控制，電源輸入的方波信號控制方便，故電源的輸出頻率可自動跟

10、蹤USM的諧振頻率。     2）采用8254檢測相位差，分辨率達0.1s，提高了電源的工作精度。     3）電源可實現(xiàn)欠壓鎖定和軟啟動，具有較好的防沖擊作用也可用于驅動其它大功率的USM。 參考文獻 1  史儀凱.超聲電動機的發(fā)展現(xiàn)狀及應用前景J.機械科學與技術,1998,17(4):626629. 2  S.Ueha, Y.Tomikawa, M.Kurosawa,N.Nakamwa. Ultrasonic Motors Theory and ApplicationM. CLARENDON PRESS. OXFORD,1993. 3 T.Senjyu, K.Uezato, H.Miyazto. Adjustable Speed Control of Ultrasonic Motors by Adaptive ControlJ. IEEE Trans.On power Ele